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El misterio de las centrales térmicas: ¿cómo convertir el vapor de alta temperatura en electricidad?
Las centrales térmicas son una fuente importante de suministro eléctrico mundial y son responsables de producir aproximadamente el 70% de la electricidad mundial. Estas centrales eléctricas utilizan energía térmica generada por diversos combustibles (como carbón, gas natural y combustible nuclear) y la transfieren a equipos de generación de energía para lograr la conversión de energía eléctrica. Sin embargo, pocas personas conocen los principios científicos y las técnicas de ingeniería involucradas en este proceso.
En una central térmica, la energía térmica se convierte en energía mecánica y luego en energía eléctrica, proceso que sigue una serie de ciclos termodinámicos.
El principio de funcionamiento de una central térmica se puede simplificar en unos pocos pasos principales. Primero, se quema combustible en la caldera para producir gas a alta temperatura, que a su vez calienta el agua en la caldera para formar vapor a alta presión. Este vapor a alta presión luego se dirige a una turbina, donde hace girar las palas de la turbina. El movimiento de rotación de la turbina se conecta a un generador y se convierte en electricidad. La eficiencia de este proceso depende de la precisión de la conversión de energía térmica, así como de la calidad y características del combustible utilizado.
Los diferentes ciclos termodinámicos tienen diferentes eficiencias. En la clasificación, el ciclo de Rankine es generalmente más eficiente que otros ciclos.
Por ejemplo, el ciclo Rankine implica expulsar gas de baja presión a un condensador, enfriarlo y luego devolverlo al proceso de calentamiento para producir más vapor de alta presión. El diseño de las centrales térmicas depende en gran medida de la fuente de energía que utilizan. Además de los combustibles fósiles y la energía nuclear, cada vez más centrales exploran el uso de la energía geotérmica, la energía solar y los biocombustibles.
Las plantas de energía térmica no solo proporcionan electricidad, sino que algunas plantas de energía también utilizan el calor residual para calefacción industrial o desalinización de agua de mar. Esta es la llamada tecnología combinada de calor y energía (CHP), mejorando así la eficiencia general. Con el avance de la tecnología, el aumento de las centrales térmicas supercríticas y ultrasupercríticas permite que las centrales eléctricas funcionen a temperaturas y presiones más altas para mejorar la eficiencia y reducir las emisiones.
Sin embargo, el funcionamiento de las centrales térmicas tradicionales también plantea desafíos al medio ambiente: los gases de efecto invernadero y las sustancias nocivas liberadas por la quema de combustibles fósiles siguen afectando al clima global.
Frente a los problemas medioambientales, la tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CAC) está atrayendo gradualmente la atención, a pesar de sus elevados costes de implementación. Los gobiernos y organizaciones internacionales también están impulsando políticas para reducir las emisiones nocivas y promover la generación de energía limpia para abordar el desafío del cambio climático.
La historia y situación actual de la generación térmica
Si echamos una mirada retrospectiva a la historia, las máquinas de vapor de pistón se han utilizado para generar energía mecánica desde el siglo XVIII, y el desarrollo de las turbinas de vapor ha mejorado legalmente la eficiencia de la generación de energía. En la década de 1880, con la patente de la turbina de vapor, la eficiencia de las centrales eléctricas mejoró significativamente y las máquinas de pistón tradicionales fueron eliminadas gradualmente.
Actualmente, las fuentes de energía renovables que dependen del agua y la energía eólica se están convirtiendo gradualmente en una parte importante de la red eléctrica moderna.
Aunque las centrales térmicas todavía dominan la producción mundial de electricidad, la demanda de energía renovable por parte de la sociedad está aumentando. Esto también está impulsando a las centrales eléctricas más antiguas a transformarse y adaptarse a un sistema energético más claro.
A nivel técnico, las calderas y ciclos de vapor tradicionales se han desarrollado en diversas formas para satisfacer diversas necesidades. Por ejemplo, en las centrales nucleares, los generadores de vapor están diseñados específicamente como intercambiadores de calor para conectar dos sistemas: el reactor y la generación de electricidad.
Estas innovaciones de diseño no solo mejoran la eficiencia operativa sino que también mejoran la seguridad.
En una central térmica, la caldera es uno de los componentes principales. Su funcionamiento consiste en una serie de tuberías de acero de alta presión que convierten el combustible mediante una tecnología de combustión eficiente, convirtiendo el agua en vapor de alta temperatura, que a su vez impulsa la turbina.
Además, el diseño del condensador también afecta la eficiencia de la central eléctrica. Su función es enfriar el vapor descargado por la turbina y convertirlo en agua, permitiendo que vuelva a entrar en la caldera. La temperatura del agua de refrigeración afecta directamente la eficiencia de la condensación de vapor, afectando así la utilización de energía de toda la central eléctrica.
Actualmente, muchas centrales térmicas también optan por utilizar sistemas de refrigeración por circulación, que extraen agua fría de embalses u océanos para reducir la temperatura de funcionamiento del condensador y mejorar aún más la eficiencia.
Conclusión
Con la creciente importancia de las energías renovables y las políticas ambientales, las plantas de energía térmica se enfrentan a una presión de transformación. La forma en que la estructura energética futura equilibre la demanda de energía y los objetivos de protección ambiental será una prueba para el suministro de energía global. En esta transformación, ¿qué papel jugarán la innovación tecnológica y la promoción de políticas?
